ПЕРСПЕКТИВЫ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

PROSPECTS AND TRENDS IN THE DEVELOPMENT OF THE RAILWAY INFORMATION AND MEASUREMENT SYSTEM

Dmitriy Roshchin

Candidate of Science, Senior Researcher, Research and Testing Center of Railway Troops,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Представлены перспективы развития железнодорожной информационно-измерительной системы в целях удовлетворения современным тенденциям повышения безопасности и скорости грузопассажирских перевозок железнодорожным транспортом. Дальнейшее развитие железнодорожной измерительной техники на современном этапе предполагает ее качественные изменения за счет применения более совершенных технологий, методов и технических решений, направленных на повышение точности измерений, удешевление измерительной процедуры за счет снижения стоимости средств измерений и сокращения расходов на оплату труда работников путевого хозяйства, снижение трудоемкости измерений путем автоматизации выполнения измерительных процедур и обработки полученных данных, а также использование более производительных вычислительных средств.

ABSTRACT

The prospects for the development of a railway information and measurement system in order to meet modern trends in improving the safety and speed of passenger and cargo transportation by rail are presented. The further development of railway measuring equipment at the present stage involves its qualitative changes through the use of more advanced technologies, methods and technical solutions aimed at improving measurement accuracy, reducing the cost of measuring procedures by reducing the cost of measuring instruments and reducing labor costs for track workers, reducing the complexity of measurements by automating measurement procedures and processing the received data. data, as well as the use of more productive computing tools.

Ключевые слова: измерительная техника; информационно-измерительная система; средства контроля; железнодорожный путь, безопасность грузопассажирских перевозок.

Keywords: measuring equipment; information and measuring system; means of control; railway track, safety of cargo and passenger transportation.

Совершенствование транспортной инфраструктуры предполагает повышение качества железных дорог, которого невозможно достигнуть без комплексной автоматизации технологических процессов контроля и технического обслуживания железных дорог. Очевидно, что обеспечение безопасности и повышение скорости грузопассажирских перевозок не представляются возможными без применения более совершенной измерительной техники, которая может быть представлена не только разрозненными средствами измерений, но также интеллектуальными многоканальными информационно-измерительными системами (ИИС) [1], выполняющими комплексные измерения различных параметров железнодорожного пути. Такие системы позволяют получить более полную и достоверную информацию о техническом состоянии железных дорог, необходимую для планирования ремонтных работ и безопасной эксплуатации железнодорожного транспорта.

Учитывая современные тенденции, направленные на создание интеллектуальных и высокоточных средств измерений, дальнейшее развитие железнодорожной ИИС возможно благодаря применению таких современных технологий, как компьютерное зрение, лазерное сканирование и спутниковая навигация. Область применения перспективной ИИС охватывает следующие основные направления (рис. 1): мониторинг железных дорог, формирование проекта производства ремонтно-восстановительных работ, планово-высотное обоснование и вынос проекта железных дорог в натуру, контроль геометрических параметров земляного полотна и рельсовой колеи, обнаружение препятствий на железнодорожных путях и т.д.

Рисунок 1. Область применения перспективной железнодорожной информационно-измерительной системы

Перспективная ИИС состоит из четырех основных сегментов (рис. 2), информационное взаимодействие которых повышает оперативность получения актуальной и достоверной информации о техническом состоянии контролируемого участка железной дороги. В случае поступления в ИИС информации о повреждении участка железной дороги от путеизмерительных комплексов, работников путевого хозяйства, а также различных автоматизированных систем диагностики и контроля параметров железнодорожного пути, осуществляется обследование данного участка пути комплексами с беспилотными летательными аппаратами (БпЛА).  Размещение элементов ИИС на комплексах с БпЛА способствует повышению оперативности получения первичной информацию о техническом состоянии участка железной дороги, а также прилегающей территории, причинах и степени их повреждения.

Рисунок 2. Схема информационного взаимодействия между сегментами железнодорожной информационно-измерительной системы

Первый сегмент ИИС, предназначен для мониторинга и формирования 3D-модели поврежденных участков железной дороги. Полученная модель загружается в систему автоматизации проектных работ (САПР) для железных дорог, с помощью которой разрабатывается проект ремонта (восстановления) поврежденного участка пути. Второй сегмент ИИС обеспечивает выполнение работ по планово-высотному обоснованию и выносу проекта железной дороги в натуру. С помощью третьего сегмента ИИС осуществляется операционный контроль геометрических параметров земляного полотна железной дороги в процессе производства земляных работ. Четвертый сегмент ИИС обеспечивает контроль геометрических параметров рельсовой колеи. Принципиальная схема работы железнодорожной информационно-измерительной системы показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Принципиальная схема работы железнодорожной информационно-измерительной системы

Для мониторинга и оценки технического состояния участка железной дороги могут применяться малогабаритные и высокопроизводительные комплексы с БпЛА [2]. Сегмент ИИС в составе комплекса с БпЛА позволяет автоматизировать процесс получения, обработки и представления объективных пространственных данных на участке железной дороги (рис. 4). Данный сегмент ИИС также может частично выполнять функции автопилота, выбирая оптимальный маршрут полета для охвата всей рабочей зоны.

Рисунок 4.  Комплекс с БпЛА для формирования 3D-модели поврежденного участка железной дороги: ГНСС – глобальная навигационная спутниковая система; СП – спутниковый приемник; ВЛС – воздушный лазерный сканер; АФК – аэрофотокамера

Второй сегмент ИИС способствует повышению оперативности проведения планово-высотной съемки участка железнодорожного пути [3]. С его помощью обеспечивается вынос проекта железных дорог в натуру (рис. 5), посредством закрепления на местности проектных отметок и обеспечения соответствия точности геометрических параметров железнодорожного пути требованиям нормативно технической и проектной документации. При этом оперативность и достоверность результатов измерений повышается благодаря возможности выполнять все измерения из одной точки с известными координатами О(ϕ,λ), даже в случае нахождения вне зоны прямой оптической видимости самого объекта измерений.

Рисунок 5. Схема выноса проекта железных дорог в натуру:

1 – видеограмметрическое устройство; 2 – БпЛА; 3 – визирная цель; 4 – лазерный дальномер;

Координаты требуемой точки A (h,ϕ,λ) на железнодорожном пути определяются с помощью видеограмметрического устройства, посредством измерения координат визирной цели M (r,ϕ,θ), прикрепленной к БпЛА. Оператор с помощью пульта дистанционного управления и видеокамеры, установленной на БпЛА, обеспечивает его зависание над точкой с требуемыми координатами, которая подсвечивается лучом лазерного дальномера. При этом отслеживание и наведение на визирную цель производится видеограмметрическим устройством автоматически в режиме реального времени. Схема взаимодействия сегмента ИИС для выноса проекта железных дорог в натуру с БпЛА изображена на рисунке 6.

Рисунок 6. Схема информационного взаимодействия между компонентами сегмента железнодорожной информационно-измерительной системы для выноса проекта железных дорог в натуру

Третий сегмент ИИС может применяться в целях контроля геометрических параметров нижнего строения железнодорожного пути [4]. В его состав входит видеограмметрическое устройство с тремя видеокамерами, которое устанавливается на кабине строительной техники (рис. 7). Данный сегмент ИИС выполняет функции системы технического зрения (СТЗ), обеспечивая одновременное и непрерывное отслеживание каждой из визирных целей. С его помощью определяются координаты и пространственное положение рабочего органа строительной техники в процессе производства земляных работ [5]. При этом используется метод обратной однократной угловой засечки по трем равноудаленным друг от друга визирным целям активного типа, размещаемых на строительном участке.

Рисунок 7. Схема определения координат рабочего органа строительной техники в локальной системе координат визирных целей

Операционный контроль параметров нижнего строения железнодорожного пути осуществляется по показаниям датчиков, расположенных на строительной технике и в зоне проведения строительных работ. Благодаря этому не требуется присутствие геодезиста на месте производства земляных работ, что позволяет повысить темпы и качество производства восстановительных работ на участке железнодорожного пути. На рисунке 8 показана схема обмена информацией между сегментом ИИС и системой автоматического управления дорожно-строительной машины.

Рисунок 8. Схема организации информационного взаимодействия между железнодорожной информационно-измерительной системой и системой автоматического управления дорожно-строительной машины

Четвертый сегмент ИИС предназначен для контроля параметров геометрии рельсовой колеи с помощью подвижной путеизмерительной тележки и фотограмметрического устройства [6]. Данное устройство устанавливается на путях и фиксирует пространственное положение путеизмерительной тележки в процессе ее движения, после чего осуществляет привязку измеренных параметров геометрии рельсовой колеи к глобальной системе координат (рис. 9). Конструкция путеизмерительной тележки отличается простотой и более высокой производительностью по сравнению с существующими аналогами, обеспечивая при этом контроль длинных неровностей рельсовой колеи.

Рисунок 9. Схема размещения путеизмерительной тележки (1) и фотограмметрического устройства (2) для контроля параметров геометрии рельсовой колеи

В процессе своего движения, путеизмерительная тележка передает посредством визирных целей, размещенных на оси передней колесной пары, форму кривых, образованных точками контакта колес с головками рельсов. С помощью видеограмметрического устройства вычисляются координаты визирных целей и параметры геометрии рельсовой колеи (рис. 10). При этом контролируются следующие параметры геометрии рельсовой колеи: ширина, взаимное положение головок рельсов по уровню, стрелы изгиба рельсовых нитей на криволинейных участках пути в плане и профиле.

Рисунок 10. Схема информационных потоков в сегменте железнодорожной информационно-измерительной системы  для контроля параметров геометрии рельсовой колеи

Таким образом, перспективная ИИС представляет собой распределенную систему, состоящую из нескольких сегментов, обеспечивающих мониторинг и комплексный контроль геометрических параметров железнодорожного пути. При этом достигается более высокий уровень автоматизации процесса контроля, что способствует повышению производительности и точности выполнения технологических операций в процессе производства ремонтно-восстановительных работ на участке железнодорожного пути. Применение трехмерных моделей железнодорожного пути дает более точные результаты расчета объемов земляных работ в процессе разработки проекта ремонта (восстановления) поврежденного участка железной дороги по сравнению с результатами, полученными с помощью геодезических планов местности [7]. При этом повышается производительность выполнения проектных работ, а также снижается вероятность появления ошибок на этапе проектирования.

Список литературы:

1. Солопченко Г.Н. Измерительные информационные системы: учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки магистров "Системный анализ и управление". Санкт-Петербург: Издательство Политехнического ун-та, — 2010. — 200 с.
2. Рощин Д. А. Повышение точности формирования цифровой модели местности вдоль железнодорожного пути // Измерительная техника. — 2021. — № 2. – С. 22–29.
3. Патент РФ № 2809177, 29.05.2023.
4. Рощин Д. А. Применение системы машинного зрения для контроля пространственного положения строительной техники // Измерительная техника. — 2022. — № 3. — С. 29–35.
5. Патент РФ № 2769637, 15.03.2021.
6. Патент РФ № 2686341, 27.05.2018.
7. Рощин Д. А. Применение трехмерных моделей местности для оценки объемов грунта при возведении земляного полотна железных дорог // Прикладная информатика. — 2019. — Т. 14. — № 3(81). — С. 103-112.